Présentation
Auteur(s)
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Serge BORIES : Directeur de Recherche au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS),Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
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Marc PRAT : Chargé de Recherche au CNRS, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
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Lire l’articleINTRODUCTION
O n désigne communément par milieu poreux un solide de forme compliquée délimitant et englobant des vides appelés pores. Ces vides peuvent communiquer entre eux et contenir une ou plusieurs phases fluides pouvant s’écouler et, éventuellement, échanger entre elles et/ou avec le solide de la matière et/ou de l’énergie. La partie solide, encore appelée matrice, peut être déformable mais doit avoir une certaine cohésion, ce qui exclut de notre définition les lits fluidisés constitués de particules solides tenues en suspension sous l’effet d’un écoulement du fluide interstitiel.
On trouve de nombreux exemples de milieux poreux dans la vie courante : textiles, cuirs, papiers, tissus, matériaux de construction, isolants, sols, filtres, revêtements d’échangeurs, plats et légumes déshydratés, etc., en constituent autant d’illustrations (figure 1 ).
D’une très grande variété, aussi bien de structure (forme et taille des grains et des pores de la matrice) que de nature (propriétés physico-chimiques des matériaux constitutifs) ou d’échelles spatiales (plusieurs dizaines de kilomètres cubes pour les gisements d’hydrocarbures et les nappes d’eau souterraines, à quelques millimètres cubes pour certains types de membranes filtrantes), les milieux poreux occupent une large place et jouent un rôle important dans de nombreux secteurs industriels et phénomènes naturels. En se limitant à quelques exemples typiques, on peut notamment citer : le génie pétrolier, le génie chimique et l’électrochimie, l’hydrogéologie, la géothermie, le génie thermique, le génie civil, la médecine, la biochimie...
Les phénomènes qui se déroulent dans les milieux poreux dépendent, en général, d’un certain nombre de propriétés dont : les propriétés de stockage des fluides (soit sous forme adsorbée sur le solide, soit remplissant les pores), les propriétés de transferts (masse, quantité de mouvement, énergie) et enfin les propriétés mécaniques. Comme pour tous les systèmes hétérogènes polyphasiques, ces propriétés sont évidemment fonction de la morphologie de la matrice et des phénomènes qui se développent et interagissent dans les différentes phases, ce qui rend le champ d’étude des transferts de chaleur en milieux poreux particulièrement vaste. De ce fait, les éléments développés ici n’ont pas la prétention d’épuiser le sujet. Ils tentent simplement, après l’introduction des notions indispensables, concernant la caractérisation des milieux poreux, de constituer une synthèse et une initiation à des ouvrages plus spécialisés.
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4. Transfert de chaleur par convection
On s’intéresse ici au transfert de chaleur qui se manifeste lorsque le milieu poreux est saturé par un fluide unique non isotherme, en écoulement dans l’espace des pores, la matrice poreuse étant fixe. Ce mode de transfert de chaleur, qualifié de convection thermique, résulte de la conduction thermique, précédemment analysée 3, et du transport d’énergie par les particules fluides en mouvement.
Comme en fluide monophasique, on distingue deux types principaux de transfert de chaleur par convection en milieu poreux : la convection naturelle et la convection forcée . Entre ces deux situations extrêmes, on identifie également la convection mixte, caractérisée par une contribution sensiblement équivalente des effets de convection forcée et de convection naturelle au transfert de chaleur. Il convient de souligner enfin que, par rapport à l’étude de la convection thermique en fluide monophasique, l’étude de la convection thermique en milieu poreux se trouve compliquée par la nature essentiellement hétérogène de tels milieux, le transfert de chaleur étant affecté non seulement par l’existence de l’écoulement macroscopique, mais aussi par l’hydrodynamique et les interactions thermiques entre phases à l’échelle des pores.
4.1 Modélisation du transfert de chaleur par convection
Compte tenu des vitesses d’écoulement faibles généralement observées en milieu poreux (nombre de Reynolds
), les termes de compressibilité et de dissipation...
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